临近空间高精度温度传感器系统研究与误差订正

作     者：宋小凡 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘清惓

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：临近空间 计算流体动力学 珠状热敏电阻 遗传算法 逆向传播神经网络 

摘      要：作为气象预报基础的探空资料在人类和社会活动中起着至关重要的作用,大气中各种要素和现象的测定结果也因此显得尤其重要。此外,在军事发展、经济提升、政治站位等方面,高超声速在技术方面所起到的战略作用已经越来越明显,高超声速飞行器的加速研究更给航空航天气象领域带来了新的挑战。高超声速飞行器的飞行环境受飞行速度影响必须具备阻力小、干扰小的特点。大气层垂直结构分层中的20 km～100 km在国际上被称为临近空间(Near Space),由于该高度范围大气稀薄等特点被选为最适合超高声速飞行器飞行的环境。临近空间飞行器成为国防和航空航天领域的热点,因此对临近空间探空观测研究的需求变得更为迫切和重要,其潜在应用价值日益显著。 针对开展临近空间科学探测的需求增加,为了进一步了解临近空间大气环境气象数据的需要,设计了一套搭载在探空仪上的临近空间高精度温度传感器系统,并配以适当的误差订正方法。针对临近空间内太阳辐射对温度探测影响最为显著,采用一种微型珠状热敏电阻作为探空温度传感器。首先,对探头进行仿真此操作步骤用到计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,在测算太阳辐射误差时,主要考虑气流速度、太阳辐射强度、太阳高度角和海拔高度这四个影响参数;再通过逆向传播(Back Propagation,BP)神经网络和遗传算法优化的逆向传播神经网络训练数据比较拟合预测模型,对比选择预测模型使太阳辐射误差尽可能小。 为了达到系统完备性的要求,设计了一套软硬件系统,旨在精确并及时地获取临近空间探测仪采集的大气数据,并进行有效通信。这套系统包括温度测量装置、数据传输模块和任务分配调度系统等。同时,我们还建立了一个低气压风洞实验平台,用于模拟超高空临近空间的大气环境。测试不同参数作用下的太阳辐射误差,并将测试结果与遗传算法优化的BP神经网络的预测数据进行比对,证实传感器的实际测量精度。实验表明,本文提出的温度传感器探头的平均测量误差为0.0073 K,误差均方根为0.0098 K。相较于传统的探空温度传感器,本文的微型珠状热敏电阻传感器结合遗传算法优化的BP神经网络算法,测量精度较高。